A szennyvíztelepi biogáz termelő fermentációs folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai módszerekkel. Doktori értekezés tézisei.

Átírás

1 A szennyvíztelepi biogáz termelő fermentációs folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai módszerekkel Doktori értekezés tézisei Kardos Levente Témavezető: Dr. Záray Gyula, egyetemi tanár, DSc Konzulens: Dr. Barkács Katalin, adjunktus Dr. Oláh József, tudományos tanácsadó (FCSM Zrt.) Környezettudományi Doktori Iskola Környezetkémiai Program Környezettudományi Doktori Iskola Vezető: Dr. Kiss Ádám, egyetemi tanár, DSc Környezetkémiai Program Vezető: Dr. Turányi Tamás, egyetemi tanár, DSc Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Kooperációs Kutató Központ 2012

2 1. Célkitűzés, előzmények Doktori munkám során anaerob lebontás első (sok esetben nem is elkülönített), sebesség meghatározó lépcsőjét, a hidrolízist kívántam vizsgálni. A fermentorokban végbemenő folyamatok jellemzésére a szennyvíztelepi laboratóriumok számára csak a (mára már klasszikusnak tekinthető) fizikaikémiai paraméterek állnak rendelkezésre. Ezek a szárazanyag-, a szervesanyag-tartalom, a kémhatás, az illósav-, a lúgosságkoncentráció, a gázmennyiség és a gázösszetétel. Bizonyos esetekben vizsgálják a redoxipotenciált is. Ezek a paraméterek sok esetben nem adnak kellő információt a reaktorokban bekövetkező változásokról, illetve nem jelzik elég gyorsan az üzemeltetés és így a biogáz-kihozatal, -termelés érdekében fontos változásokat. A folyamatok hatékonyabb nyomon követését biokémiai paraméterekkel, enzimaktivitás vizsgálatokkal kívántam meghatározni. A hidrolitikus enzimaktivitás vizsgálatokkal az anaerob lebontás első lépcsője jellemezhető. Kísérleteim során félüzemi és üzemi reaktorokból származó iszapminták enzimaktivitásait kívántam meghatározni. A sejtek összaktivitásának jellemzésére a dehidrogenáz, míg a szennyvíziszap gyakori szubsztrát (elsősorban fehérje- és zsírtartalom) koncentráció változásainak nyomon követésére a 2

3 proteáz és a lipáz, illetve növényi hulladék, mint koszubsztrát rothasztása esetén a celluláz enzimaktivitás vizsgálatok alkalmazhatók. Anaerob szennyvíziszap minták enzimaktivitás vizsgálataira nincsenek nemzetközileg elfogadott standardok. Kísérleti munkámban ezért először adaptálni, illetve átalakítani kívántam a szakirodalmakban található, a nem szennyvíziszap minták vagy nem anaerob szennyvíziszap minták vizsgálataira használt enzimaktivitás mérési módszereket, tekintve, hogy a szakirodalomban ismertetett enzimaktivitás vizsgálatok aerob eleveniszapra, illetve anaerob talajmintákra vonatkoznak. Célom volt olyan enzimaktivitás vizsgálatok kidolgozása és alkalmazása, amelyekkel az anaerob fermentorban lejátszódó folyamatok az eddigieknél jobban jellemezhetők és az üzemeltetés számára is kellő információval szolgálhatnak. Célomnak tekintettem továbbá, hogy a kiválasztott enzimaktivitás vizsgálatokat mind félüzemi, mind pedig üzemi fermentorokból származó iszappal is elvégezzem. Az alkalmazott enzimaktivitás vizsgálatokat úgy kívántam kialakítani, hogy gyorsan és viszonylag olcsón elvégezhetők, így az átlagos felszereltségű szennyvíztelepi laboratóriumok számára is kivitelezhetők legyenek. 3

4 2. Vizsgálati módszerek és kísérleti periódusok Kísérleti munkámat a Dél-pesti Szennyvíztisztító Telepen (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) lévő üzemi rothasztókból, illetve a telepen lévő félüzemi fermentorokból származó iszappal végeztem. Laboratóriumi méréseimet a telepi és az egyetemi laboratóriumban folytattam. A klasszikus üzemellenőrzési paraméterek mellett dehidrogenáz, proteáz, lipáz, illetve celluláz enzimaktivitás vizsgálatokat végeztem. Kutatásaim során hat kísérleti periódust kívántam vizsgálni, amelyek a következők: 1. A mezofil és a termofil hőmérsékletű rothasztás összehasonlítása enzimaktivitás vizsgálatokkal félüzemi és üzemi reaktorokban. 2. A hőmérséklet-változtatás hatásának vizsgálata félüzemi reaktorokban és a folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai paraméterekkel. 3. A szennyvíziszap terhelés (szervesanyag terhelés változtatása) és az enzimaktivitás kapcsolata félüzemi és üzemi körülmények között. 4. Mechanikai előkezelés (roncsolás) hatásának vizsgálata az iszapfermentációra félüzemi fermentorban. 4

5 5. Enzimkészítmény alkalmazásának lehetőségei a biogáz termelés fokozása érdekében laboratóriumi körülmények között. 6. Szennyvíziszap és szervesanyagok (tejipari szennyvíz, növényi hulladék) együtt rothasztásának vizsgálata félüzemi reaktorokban és a folyamatok nyomon követése enzimaktivitás vizsgálatokkal. 3. Az új tudományos eredmények összefoglalása 1. A mezofil és termofil hőmérsékletű félüzemi és üzemi kísérletek alapján megállapítottam, hogy az iszaprothasztás gyakorlatában alkalmazott klasszikus ellenőrző paraméterek közül csak az illósav koncentrációja mutatott korrelációt a fajlagos szervesanyag terheléssel, illetve a hőmérséklet változtatásával. Az illósav koncentrációja és a fajlagos gázmennyiség között negatív korreláció áll fenn. 2. Az általam kifejlesztett fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitás mérés alkalmas az anaerob módon fermentált szennyvíziszap biokémiai jellemzésére. Az anaerob iszap jellemzésére optimált fajlagos proteáz, a fajlagos lipáz és a fajlagos celluláz enzimaktivitások - félüzemi és üzemi körülmények között végzett kísérleteim tanúsága szerint - a fermentorokba táplált szubsztrát 5

6 gyakori összetétel változásának kimutatására alkalmazhatók. A nagy fehérje- és zsírtartalmú szubsztrát adagolás esetén a proteáz és a lipáz, míg növényi hulladék adagolás hatásának nyomon követésére a celluláz aktivitás vizsgálata bizonyult megfelelőnek. 3. Mind félüzemi, mind pedig üzemi körülmények között igazoltam, hogy a termofil hőmérsékletű iszaprothasztás során a mezofil rendszerekben meghatározottakhoz képest a fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitása nagyobb. Mezofil és termofil hőmérsékletű félüzemi és üzemi kísérletsorozat alapján megállapítottam továbbá, hogy a termofil hőmérsékletű rothasztásnál a dehidrogenáz, a proteáz- és lipáz enzimaktivitás értéke is meghaladja a mezofil hőmérsékletű rendszerben mért aktivitást. 4. Félüzemi körülmények között igazoltam, hogy a fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitás alkalmas a hőmérséklet változtatás hatásainak nyomon követésére és korrelációt mutat a képződött biogáz mennyiségével. 5. Félüzemi és üzemi körülmények között, mezofil és termofil hőmérsékleten végzett vizsgálataim alapján egyaránt azt állapítottam meg, hogy a fajlagos szervesanyag terhelés változásával szoros korrelációt mutatnak a fajlagos proteáz és a lipáz enzimaktivitások. A proteáz enzimaktivitás egy- 6

7 két napos, míg a lipáz enzimaktivitás maximum egy napos időbeni eltolódással jelezte a fajlagos szervesanyag terhelés változását. Ugyanezen kísérleti körülmények közt eredményeim szerint egy-két napos időeltolódást tekintetbe véve a proteáz és a lipáz enzimaktivitások és a fajlagos gázmennyiség között is szignifikáns korreláció áll fenn. A proteáz és a lipáz enzimaktivitás értékeinek változása ugyanis egy-két nappal korábban már előre jelezte a bekövetkezett gázhozam változást. 6. Félüzemi mezofil körülmények közötti előkezelési kísérletek alapján megállapítottam, hogy az ultrahanggal történt előkezelés hatására a kontroll reaktor fajlagos gázmennyiségéhez viszonyítva 33% gáztérfogat növekedés tapasztalható. Az előkezelést alkalmazó fermentáció során a dehidrogenáz enzimaktivitás és a fajlagos szervesanyag terhelés, illetve a fajlagos gázmennyiség között szignifikáns kapcsolatot mutattam ki. Laboratóriumi körülmények között, mezofil hőmérsékleten végzett előkezelési kísérletek alapján pedig megállapítottam, hogy az alkalmazott enzimkészítménnyel növelhető az iszap dehidrogenáz, a proteáz, a lipáz és a celluláz enzimaktivitása. 7

8 7. A növényi koszubsztráttal végzett félüzemi kísérlet során meghatároztam, hogy a szennyvíziszaphoz adagolt fű hatására - optimált terhelési viszonyok közt - 33%-kal megnövelhető a fajlagos gázmennyiség. A stabil fűadagolási időszakban a fajlagos gázmennyiség és a proteáz, valamint a celluláz enzimaktivitások között szignifikáns kapcsolatot találtam. 4. Az értekezés témaköréből készült publikációk jegyzéke 4.1. Referált tudományos folyóiratban megjelent dolgozatok angol nyelven Levente Kardos Ágota Juhász György Palkó József Oláh Katalin Barkács Gyula Záray (2011): Enzyme activity analyses of anaerobic fermented sewage sludges. In: Applied Ecology and Environmental Research, 9(4), pp ALÖKI Kft., Budapest, Hungary. ISSN (print), ISSN (online) Levente Kardos Ágota Juhász György Palkó József Oláh Katalin Barkács Gyula Záray (2011): Comparing of mesophilic and thermophilic anaerobic fermented sewage sludge based on chemical and biochemical tests. In: Applied Ecology and Environmental Research, 9(3), pp ALÖKI Kft., Budapest, Hungary. ISSN (print), ISSN (online) 8

9 Levente Kardos György Palkó József Oláh Katalin Barkács Gyula Záray (2009): Operation control of anaerobic digesters on basis of enzyme activity tests. In: Water Science and Technology, 60(4), pp IWA Publishing, London, UK. ISSN Levente Kardos Szilvia Tarjányi-Szikora József Oláh György Palkó Katalin Barkács Gyula Záray (2008): Co-digestion of sludge and organic wastes followed up by chemical and biochemical methods. In: Acta Pericemonologica Debrecina rerum ambientum, pp Debrecen, ISSN Tanulmánykötetek és konferencia kiadványok Kardos Levente Palkó György Oláh József Barkács Katalin Záray Gyula (2011): A termofil és a mezofil hőmérsékletű kommunális szennyvíziszap rothasztás összehasonlítása kémiai és biokémiai vizsgálatok alapján. Erdei Ferenc VI. Tudományos Konferencia Tanulmánykötete, I. kötet, pp GyomaPress Kft. Kecskemét. ISBN Kardos Levente (2011): Az enzimaktivitás vizsgálatok szerepe az anaerob iszaprothasztás folyamatának ellenőrzésében. Erdei Ferenc VI. Tudományos Konferencia Tanulmánykötete, III. kötet, pp GyomaPress Kft. Kecskemét. ISBN Kardos Levente (2009): A biogáz mennyiségének növelése fizikai és kémiai módszerekkel egy kommunális szennyvíztisztító telepen. In: Szabó V. Fazekas I. (szerk.): Települési Környezet, pp

10 Debreceni Egyetem (Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék) és az Alföldi Nyomda Zrt., Debrecen, ISBN Kardos Levente Juhos Katalin Palkó György Oláh József Barkács Katalin Záray Gyula (2009): Biogáz-kihozatal növelése egy kommunális szennyvíztisztító telepen. In: Orosz Z. Szabó V. Fazekas I. (szerk.) Környezettudatos energiatermelés és felhasználás, pp Alföldi Nyomda Zrt., Debrecen. ISBN Kardos Levente Tarjányiné Szikora Szilvia Oláh József Palkó György Barkács Katalin Záray Gyula (2008): Szennyvíziszap és szerves hulladékok együttrothasztásának nyomon követése kémiai és biokémiai módszerekkel. In: IV. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia, I. kötet, pp Debrecen, REXPO Kiadó Kft. ISBN Kardos Levente Barkács Katalin Záray Gyula Palkó György Oláh József (2008): Anaerob rothasztók üzemének ellenőrzése biokémiai paraméterek alapján. In: Vízmű Panoráma, 2008/2. szám (16. évfolyam), pp Budapest, Magyar Víziközmű Szövetség, ISSN Kardos Levente (2007): A szennyvíztelepi biogáztermelés optimálása és az üzemelés nyomon követése. In: Orosz Z. Fazekas I. (szerk.) Települési Környezet, pp Debrecen, Kossuth Egyetemi Kiadó, ISBN